灰度光刻技术实现微流控装置中构建光子晶体水凝胶传感系统

东南大学生物科学与医学工程学院院长顾忠泽团队在Chemical Engineering Journal上发表了相关论文，开发了一种多功能且高度可控的策略，通过直接激光写入（DLW）技术在微流控装置中构建光子晶体水凝胶（PCH）传感系统。

微流控装置因其能够创造模拟体内微环境的复杂动态环境，常用于细胞培养、药物筛选和器官芯片应用。然而，由于其封闭结构，获取内部环境参数（温度、pH、分子浓度等）具有挑战性。虽然液相色谱、化学滴定、质谱和电化学等方法可用於分析微流控芯片内的微环境，但这些策略需要大型仪器的协助，且难以提供环境参数的空间分布信息，限制了我们对微流控装置中动态环境的原位操纵和理解能力。

近年来，基于响应光子晶体的分析方法因其非接触式、视觉传感特性而备受关注。光子晶体由于其周期性有序的纳米结构所产生的光子带隙，呈现出明亮、不褪色的结构色，可通过改变其物理参数（即有序纳米结构的反射率和周期性）来改变。当与刺激响应水凝胶结合时，这些材料（通常被称为光子晶体水凝胶（PCHs））获得了将各种机械和生化信号转换为光信号的能力，这可以很容易地通过光谱仪或相机记录下来。这一特性使得PCHs成为透明微流控装置中原位分析的理想候选者。然而，受限于制造技术，目前PCHs传感器大多以亚毫米级薄膜、球体或纤维的形式产生，缺乏构造成微小且精心设计形式的可能性。此外，PCHs传感器与微流控装置的集成是基于手工组装，传感器（尤其是在3D空间中）的精确放置对于现有技术来说具有相当大的挑战性。这些问题极大地限制了这些有前途的材料在微流控系统中的可能应用。

为解决上述问题，该团队提出了一种利用双光子光刻（TPL）和牺牲支架直接在微流控芯片中所需位置写入具有精确几何形状和不同组成的PCH传感器的多功能且高度可控的策略。他们展示了具有各种几何设计和成分的PCH微型传感器可以利用商业双光子直接写入系统 (Nanoscribe Photonic Professional GT+, Germany) 精确地在3D基底上的所需位置制造，从而产生以前无法实现的多功能PCH传感系统。利用这种PCH传感系统，只需在显微镜下就可以对微流控装置中的环境参数进行时空监测。

为验证这一策略的可行性，研究人员首先展示了用于pH传感的PCH微型传感器的构建和表征。通常，PCH可以直接通过固化含有水凝胶前体和单分散纳米颗粒（NPs）的溶液来形成。在这种情况下，溶液中NPs的有序自组装高度依赖于它们的静电相互作用，这对NPs的Zeta电位和溶剂极性敏感。因此，为了产生具有鲜艳结构色的PCH，溶液的介电常数必须受到严格控制，这对可用的单体、引发剂和添加剂的类型设置了很大的限制。例如，在实验中，带负电荷的单分散二氧化硅NPs可以在含有Bis和AAm的溶液中自组装成周期性结构，从而产生明亮的结构色。当将pH响应的带负电荷单体AA添加到前体中时，溶液中负电荷的增加导致电荷遮罩效应的增强，从而导致SiO2 NP自组装的中断，进而导致溶液结构色的丧失。因此，直接用AA生成PCH变得具有挑战性。而通过使用含有二硫键的可降解水凝胶网络作为牺牲支架，预先锁定二氧化硅NPs的有序排列，可以很容易地解决这个问题。

实验结果表明，二硫键交联的水凝胶网络可以在DLW过程中锁定二氧化硅NPs的有序排列，避免了带负电荷的AA和激光焦点的干扰。TPL制造后，二硫键交联的水凝胶网络可以在还原环境下降解，留下加工后的具有周期性排列二氧化硅纳米颗粒的3D微水凝胶。所得水凝胶的拉曼光谱与直接使用前体（无牺牲支架）形成的水凝胶相同，表明它们的组成相似。

由于羧基化水凝胶网络对pH有响应，当环境pH值增加时，羧基变得离子化并带负电，由此产生的静电排斥导致水凝胶溶胀。因此，在实验中，制造的PCH微立方体可以用作微型传感器来监测周围环境中的pH变化。为了研究TPL加工参数对PCH微型传感器响应性的影响，研究人员使用可变的激光功率和扫描速度创建了一个水凝胶微立方体阵列。将获得的阵列浸入不同pH值的缓冲液中，记录每个微立方体的颜色和反射光谱。结果显示，当环境pH从4.4增加到6.0时，PCHs上观察到明显的颜色变化，这可以通过反射光谱法测试得到证实。PCH微型传感器的传感性能受到它们在可见光范围内可实现的最大蓝移/红移的限制。有趣的是，PCH微型传感器的响应被发现强烈依赖于它们的加工参数。随着曝光量的增加（更高的激光功率或更慢的扫描速度），PCH在pH变化期间表现出更明显的颜色变化，这通过反射光谱和色调值测量得到了证实。通过测量PCH在不同加工参数下的最大溶胀率，可以得出结论，当环境pH变化时，具有较高曝光剂量的PCH的最大溶胀率更大，导致更明显的结构颜色变化。这可能是因为较大的曝光量会导致较大量的固化响应单体，从而在所得水凝胶网络上产生更多的羧基，从而提高PCH的响应性，并导致响应于环境pH变化的更强溶胀能力。这意味\着制造的PCH传感器的灵敏度可以通过控制加工参数来精确调整，为该策略提供了很大的灵活性。

由于羧基的电离是可逆的，PCH微型传感器是可重复使用的。研究人员通过将微水凝胶（No. 9）重复置于pH 4.8和5.6下1分钟，并每次记录其反射峰来研究这种潜能。结果显示，PCH微型传感器在多次测试循环中表现相对稳定，证实了其连续和原位pH监测的能力。

含AA的水凝胶网络还可通过水凝胶网络中的负电荷和蛋白质分子中的正电荷的组合来静电吸附蛋白质分子，从而可用於非特异性蛋白质感应。为了证实这一点，研究人员将含有AA的PCH传感器置于牛血清白蛋白（BSA）溶液中，观察到随着蛋白质浓度的增加，静电吸附的发生导致结构色的红移。因此，利用含有AA的PCH传感器，也有可能原位分析细胞培养系统中蛋白质分子的数量。

由于二硫键对大多数常用溶剂、单体和光引发剂的稳定性，可以将各种前体引入牺牲支架中，以产生对环境中不同刺激作出反应的各种PCH传感器。例如，研究人员开发了一种可以响应液体环境中微量金属阳离子的PCH传感器。该传感器是使用由苯并-18-冠-6-丙烯酰胺、Bis和AAm组成的响应水凝胶前体制造的。随着金属离子浓度的增加，金屬阳离子不断与水凝胶网络中的苯并-18-冠-6-丙烯酰胺结合，带电螯合物结构之间的排斥使水凝胶溶胀，因此微型传感器的反射峰发生红移。

该团队还测试了在更复杂的情况下制造PCH传感器的可能性。例如，在微通道侧壁上预留的微孔中创建PCH微型传感器，这是传统传感器制造方法无法实现的。SEM图像和光学图像证实了PCH微型传感器在所需位置的存在，显示了该策略的灵活性和准确性。这意味\着可以在微流控装置中的任何目标位置部署PCH微型传感器。

结合PCH的原位传感能力和其制造策略的精确加工能力，可以构建PCH传感系统，该系统可以对微环境中的变化进行时空响应。